противолазерный защитный светофильтр

Формула изобретения

Противолазерный защитный светофильтр для защиты глаз от лазерного излучения в спектральной области 380-1400 нм, включающий поглощающий излучение компонент из цветного оптического стекла и отражающее многослойное диэлектрическое покрытие, отличающийся тем, что длина волны максимума спектрального коэффициента отражения покрытия смещена в длинноволновую область спектра относительно длины волны воздействующего излучения на величину, равную =0,2-0,3 от полуширины спектральной полосы отражения диэлектрического покрытия.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области офтальмологии и оптического приборостроения и может быть использовано при изготовлении противолазерных очков, прицелов, зрительных труб, визиров и других приборов визуального наблюдения в качестве средства индивидуальной защиты глаз от прямого, отраженного или рассеянного лазерного излучения.

Широкое внедрение лазерных технологий в многочисленные сферы современной производственной и научной деятельности (от медицины до тяжелого машиностроения и горнодобывающих отраслей) выдвигает весьма актуальную и достаточно сложную техническую задачу надежной защиты глаз обслуживающего персонала от вредного воздействия лазерного излучения в спектральном диапазоне прозрачности оптических сред глаза =380-1400 нм.

Так, операторы, обслуживающие лазерные технологические установки, должны быть снабжены средствами индивидуальной защиты (очками), надежно защищающими глаз не только от прямого (фронтального) облучения, но и от наклонных (боковых) лучей в диапазоне углов падения =±(0-30°) (ГОСТ Р 12.4.254 - 2010), зеркально отраженных обрабатываемой поверхностью и/или рассеянных на неровностях оборудования рабочей зоны.

Надежная защита от наклонных пучков излучения требуется и персоналу, не занятому непосредственным выполнением лазерных технологических операций, но находящемуся в помещениях, где такие операции выполняются. В этом случае опасность представляет излучение, достигающее глаз под большими углами падения вследствие рассеяния поверхностями помещений и находящимся в них оборудованием.

Защита от наклонных потоков лазерного излучения требуется не только для невооруженного глаза, но и для вооруженного телескопическими приборами визуального наблюдения (зрительные трубы, бинокли, прицелы) с расширенным полем зрения. В этом случае к противолазерным защитным светофильтрам предъявляется дополнительное и безусловное требование отсутствия заметного искажения волнового фронта излучения, поступающего в прибор от наблюдаемого объекта. Выполнение этого условия требует применения материалов высоких категорий по оптическим параметрам (однородность, бессвильность, пузырность) и высокого качества изготовления поверхностей [1]:

- отклонение от плоскостности N (1-5) интерференционных полос,

- местная ошибка N (0,1-0,5) интерференционной полосы,

- допустимая клиновидность (30 -3').

Поэтому для защиты глаз, вооруженных наблюдательным прибором, недопустимо применение светофильтров из прозрачных пластмасс (поликарбонат, полиметилметакрилат и т.п.), которые в отличие от оптических стекол не удовлетворяют высоким требованиям к параметрам оптического качества материала и при обработке не могут обеспечить необходимые требования к значениям N, N и .

В связи с высокой мощностью современных лазерных технологических систем (энергия импульсного излучения - до десятков джоулей, мощность непрерывного излучения - сотни ватт) противолазерные светофильтры, используемые в индивидуальных средствах защиты, должны соответствовать высоким степеням защиты L3-L8. Оптическая плотность светофильтров, обеспечивающая требуемые степени защиты, в соответствии с ГОСТ Р 12.4.254 - 2010 должна составлять на лазерных длинах волн D =(3,0-8,0) Б (спектральные коэффициенты пропускания =10^-3-10^-8), причем визуальный коэффициент пропускания светофильтров, гарантирующий достаточно высокую эффективность зрительной работы, должен быть не менее _v=20% (п.4.2.1 ГОСТ Р 12.4.254 - 2010). Кроме того, светофильтры, используемые в противолазерных защитных очках должны иметь возможно меньшие габариты и вес.

Перечисленным выше противоречивым требованиям частично удовлетворяют защитные светофильтры, изготовленные из цветных оптических стекол (ГОСТ 9411-91), имеющих на лазерных длинах волн достаточно высокое значение показателя поглощения k . Угловая характеристика таких светофильтров, т.е. зависимость их оптической плотности D от угла падения излучения - D ( ) имеет слабо выраженный возрастающий характер. Это обусловлено увеличением при наклонном падении длины проходимого излучением оптического пути и возрастанием при увеличении френелевских потерь потока излучения на границе воздух - оптическая среда.

Так для защиты от лазерного излучения в ближней ИК-области спектра ( _ик=780-1400 нм) возможно использование стекол сине-зеленой группы - СЗС-21, СЗС-22, СЗС-26, которые, однако, обеспечивают необходимые степени защиты L3-L8 только при толщинах t>5-6 мм. Для защиты от лазерного излучения в видимой области спектра ( _в=380-780 нм) светофильтры из этих стекол должны иметь толщину, превышающую 10-12 мм, т.к. их оптическая плотность в спектральном диапазоне _в при приемлемой толщине t=6 мм не превышает значения D 2,0 Б, что совершенно недостаточно для высоких степеней защиты L3-L8.

Уменьшение толщины противолазерных светофильтров без ухудшения их защитных характеристик (степени защиты L) может быть достигнуто применением двухкомпонентных систем, состоящих из поглощающего светофильтра из цветного оптического стекла и отражающего многослойного диэлектрического покрытия, нанесенного на поглощающий светофильтр или на отдельную деталь - подложку. Длина волны максимума спектрального коэффициента отражения - _m диэлектрического покрытия выбирается равной длине волны лазерного излучения , для защиты от которого предназначен противолазерный светофильтр. Достигаемый в этом случае выигрыш в толщине (а следовательно, и в весе) светофильтра поясняется приведенным ниже расчетом.

Если оптическая плотность двухкомпонентного светофильтра, обеспечивающая необходимую степень защиты L, равна D , и при этом оптическая плотность поглощающего компонента светофильтра - D₁ , а оптическая плотность по пропусканию диэлектрического покрытия - D₂ , то имеет место очевидное равенство D =₁ +D₂ . Тогда оптическая плотность поглощающего компонента находится как D₁ =D -D₂ .

Обозначим k показатель поглощения материала поглощающего компонента, тогда его толщина, а следовательно, и толщина самого противолазерного светофильтра (толщина диэлектрического покрытия ничтожно мала) составит t₁=D₁ /_K =(D -D₂ )/k .

Если же в качестве противолазерного защитного светофильтра используется однокомпонентная система, содержащая только поглощающий светофильтр из того же материала, что и в предыдущем случае, то для обеспечения необходимой оптической плотности D толщина светофильтра должна быть равна t₂ =D /k .

Следовательно, применение комбинированной двухкомпонентной системы, состоящей из поглощающего светофильтра и диэлектрического отражающего покрытия, уменьшает толщину противолазерного защитного светофильтра на величину

t=t₂-t₁=D _/k -(D -D₂ )/k =D₂ /k .

Современные диэлектрические отражающие покрытия обладают незначительным (менее 1%) поглощением излучения вне спектральной полосы отражения [2, 3]. Кроме того, благодаря небольшой ширине полосы отражения (10-50 нм) по сравнению с шириной спектрального диапазона видимого излучения 380-780 нм, диэлектрические покрытия, предназначенные для работы в видимой области, незначительно ослабляют интегральный световой поток, поступающий в глаз при визуальном наблюдении. Поэтому применение диэлектрического покрытия наряду с уменьшением толщины поглощающего компонента увеличивает визуальный коэффициент пропускания _v защитного светофильтра, что, в свою очередь, заметно повышает эффективность зрительной работы наблюдателя, снабженного средством индивидуальной защиты с таким светофильтром.

Однако положительный эффект применения отражающих диэлектрических покрытий сопровождается ухудшением угловой характеристики D ( ) защитных светофильтров, так как оптическая плотность по пропусканию D многослойных диэлектрических покрытий (а значит и степень защиты L) на длине волны _m существенно уменьшается при возрастании угла падения излучения [2]. Поэтому противолазерный светофильтр, состоящий из поглощающего компонента и диэлектрического покрытия и обеспечивающий надлежащую защиту глаз при нормальном падении излучения ( =0°), оказывается непригодным в поле лазерного излучения, сформированного наклонными пучками ( >0).

Таким образом, удовлетворение всех перечисленных требований, предъявляемых к противолазерным защитным светофильтрам, является достаточно сложной технической задачей, не нашедшей до настоящего времени адекватного решения.

Так, в частности, известен противолазерный однокомпонентный защитный светофильтр типа Т26, изготавливаемый фирмой LASERVISION из поглощающего стекла, не имеющего отражающего диэлектрического покрытия. Светофильтр Т26 применяется для производимых фирмой защитных очков моделей ЕСО-7, ALL STAR и PROTECTOR, различающихся между собой только типом оправы. Светофильтр предназначен для защиты глаз от лазерного излучения ближней ИК-области спектра в диапазоне длин волн =900-1400 нм, где он обеспечивает степени защиты L3-L8. Визуальный коэффициент пропускания светофильтра составляет _v 35%.

Недостатком светофильтра Т26 является его большая толщина t=7 мм и обусловленный этим значительный вес. Поэтому для облегчения ношения очков с этим светофильтром в модели оправы ALL STAR предусмотрена возможность применения дополнительного головного крепления, снабженного эластичным ремнем.

Для защиты от лазерного излучения в расширенном спектральном диапазоне (видимая и ближняя ИК-область) фирма LASERVISION изготавливает противолазерный светофильтр марки S3102, из поглощающего стекла. Этот однокомпонентный светофильтр, не имеющий отражающего покрытия, обладает низким визуальным коэффициентом пропускания _v 6%. Его толщина весьма значительна - t=11-12 мм, и поэтому в качестве аналога заявленного устройства светофильтр S3102 не рассматривается.

Известен также противолазерный двухкомпонентный защитный светофильтр типа Т37, изготавливаемый фирмой LASERVISION (ФРГ) из поглощающего стекла с нанесенным на него диэлектрическим покрытием. Светофильтр Т37 имеет толщину t=9 мм и предназначен для защиты от лазерного излучения с длиной волны =532 нм. Фирма-изготовитель применяет светофильтр Т37 в защитных очках моделей ALL STAR, ECO-7, PROTECTOR, отличающихся типом оправы. Отражающее диэлектрическое покрытие светофильтра Т37 имеет максимум спектрального коэффициента отражения на длине волны =532 нм, совпадающей с длиной волны лазерного излучения, для защиты от которого светофильтр предназначен. Светофильтр Т37 имеет визуальный коэффициент пропускания _v 14% и обеспечивает на длине волны =532 нм степень защиты, равную L7.

По технической сущности светофильтр Е37 фирмы LASERVISION является прототипом предлагаемого изобретения.

К недостаткам светофильтра Т37 относятся:

- применение отражающего многослойного диэлектрического покрытия с длиной волны максимума спектрального коэффициента отражения, совпадающей с длиной волны лазерного излучения, для защиты от которого предназначен светофильтр. В результате этого при воздействии наклонных пучков излучения, падающих на светофильтр под углами >0°, оптическая плотность светофильтра (а значит и обеспечиваемая им степень защиты L) существенно уменьшаются по сравнению с требуемыми значениями, которые имеет светофильтр при =0°,

- большая толщина и вес светофильтра, затрудняющие его применение, так как для длительного ношения защитных очков со светофильтрами Т37 требуется применение специальной оправы с дополнительным головным креплением,

- низкое значение визуального коэффициента пропускания _v 14%, что существенно снижает эффективность зрительной работы наблюдателя, использующего светофильтр в сумеречное время суток [4].

Целью изобретения является устранение существенного недостатка противолазерных светофильтров, содержащих многослойное отражающее диэлектрическое покрытие с максимумом спектрального коэффициента отражения, совпадающим с длиной волны излучения, для защиты от которого предназначен светофильтр. Недостаток таких светофильтров состоит в быстром и систематическом уменьшении их оптической плотности (а значит и степени защиты) при увеличении угла падения излучения.

Поставленная цель изобретения достигается тем, что в противолазерном защитном светофильтре для защиты глаз от лазерного излучения в спектральной области 380-1400 нм, включающем поглощающий излучение компонент и отражающее многослойное диэлектрическое покрытие, длина волны максимума спектрального коэффициента отражения покрытия смещена в длинноволновую область спектра относительно длины волны воздействующего лазерного излучения на величину, равную =0,2-0,3 от полуширины спектральной полосы отражения диэлектрического покрытия.

Сущность предлагаемого технического решения поясняет рис.1, в левой части которого (см. кривые I и II) приведены два варианта типичных спектральных характеристик R( ) отражающих многослойных диэлектрических покрытий при нормальном ( =0°) падении излучения.

Оба покрытия предназначены для защитных светофильтров от лазерного излучения с длиной волны =539 нм, имеют одинаковую полуширину спектральной полосы отражения /2=50 нм и различаются только длиной волны максимума спектрального коэффициента отражения _m. У первого покрытия (кривая I) значение _m1=545 нм смещено относительно длины волны лазерного излучения в длинноволновую область спектра на величину =9,3( /2)=15 нм. У второго покрытия (кривая II) _m2=530 нм совпадает с длиной волны лазерного излучения.

По оси ординат рис.1 отложены относительные значения спектральных коэффициентов отражения R , причем максимальные значения R обоих покрытий приняты за единицу. По оси абсцисс правой части рис.1, где строятся угловые характеристики R( ) покрытий I и II, отложены значения углов падения излучения , а на оси абсцисс левой части в верхнем ряду значений приведены величины , на которые смещается максимум коэффициента отражения покрытий при изменении угла падения .

При нормальном падении излучения ( =0°) на поверхность диэлектрического покрытия 1 относительное значение его коэффициента отражения на длине волны =539 нм соответствует ординате точки 1 кривой R( ). Координаты точки 1' функции R( ) при нормальном падении определяются на рис.1 из условия:

- ордината точки 1' равна ординате точки 1,

- абсцисса точки 1' равна =0°.

Предположим, что угол падения излучения увеличился по сравнению с нормальным падением на =5° и составил =5°. Тогда спектральная полоса R( ) покрытия 1 и максимум его коэффициента отражения сместятся в коротковолновую область спектра [2] (на рис.1 влево) на величину , и значение коэффициента отражения этого покрытия на =539 нм - R( =539) будет соответствовать ординате точки 2 кривой I. Точку 2' функции R( ) найдем на пересечении ординаты точки 2 и абсциссы =5°.

Если угол падения излучения увеличится еще на =5° и составит =10°, то кривая R( ) покрытия 1, сместившись в коротковолновую область на величину относительно предыдущего значения, займет положение, при котором R( =530) будет соответствовать точке 3 кривой I. Точку 3' угловой зависимости R( ) находим на пересечении ординаты точки 3 и абсциссы =10°.

Аналогично определяются координаты остальных пар точек 4-4'; 5-5'; ; 9-9', и в диапазоне углов падения =0°-40° находится (см. кривую I' рис.1) функция угловой зависимости R( ) диэлектрического покрытия, длина волны максимума спектрального коэффициента отражения которого _m1=545 нм смещена в длинноволновую область относительно длины волны воздействующего излучения =530 нм.

Если описанную процедуру применить к спектральной характеристике R( ) покрытия II (точки 1а-6а), то получим угловую зависимость R( ) (кривая II') диэлектрического покрытия, длина волны максимума спектрального коэффициента отражения которого _m2 530 нм совпадает с длиной волны лазерного излучения.

Таким образом, описанное теоретическое рассмотрение убедительно показывает, что увеличение угла падения излучения на диэлектрическое покрытие типа 1 не приводит к быстрому и систематическому уменьшению его коэффициента отражения R , как это имеет место [2] у покрытий типа II с длиной волны максимума коэффициента отражения, совпадающим с рабочей длиной волны защитного светофильтра.

Современные многослойные диэлектрические покрытия являются слабо поглощающими и практически не рассеивающими излучение средами [2, 3]. Поэтому между их спектральными коэффициентами отражения R и пропускания существует приближенное равенство: R 1- . Тогда =1-R , а оптическая плотность покрытия D , определяющая его степень защиты L, составит D =-lg(1-R ). Следовательно, увеличение угла падения излучения, не вызывающее, как показано выше, уменьшения R , не приводит и к аналогичному снижению оптической плотности D диэлектрического покрытия, максимум спектрального коэффициента отражения которого сдвинут в длинноволновую область относительно рабочей длины волны (в рассмотренном случае относительно =530 нм).

Аналогичная взаимосвязь спектральных R( ) и угловых R( ) характеристик имеет место и у диэлектрических покрытий, предназначенных для защиты от лазерного излучения не только на длине волны =530 нм, но и на любой другой в диапазоне =380-1400 нм, если геометрия спектральных характеристик этих покрытий R( ) подобна приведенной на рис.1. Возможность практического изготовления таких покрытий иллюстрирует рис.2, подробно рассматриваемый ниже.

Для экспериментальной проверки предложенного технического решения были изготовлены два многослойных диэлектрических покрытия типа (5ВН)⁸5В из чередующихся слоев сернистого цинка (ZnS-В) и фтористого иттрия (YF₃-Н), нанесенных на плоскопараллельную подложку из стекла К-8. На рис.2 приведена спектральная характеристика R( ) покрытия, измеренная на прецизионном спектрофотометре Lambda-9 (производство фирмы Perkin Elmer, США). Из рисунка видно, что у этого покрытия длины волн максимумов _m коэффициентов отражения смещены в длинноволновую область относительно лазерных длин волн =530, 693 и 1060 нм на величину , равную соответственно 12, 10 и 18 нм. По отношению к полуширине /2 соответствующих полос отражения такое смещение составит:

для =530 нм-12 нм/40 нм=0,3 ( /2),

для =693 нм-10 нм/52 нм=0,19 ( /2),

для =1060 нм-18 нм/66 нм=0,27 ( /2).

Второе покрытие было того же типа, что и на рис.2, но центры его полос отражения совпадали с лазерными длинами волн.

Угловые характеристики D ( ) обоих покрытий были измерены экспериментально на фотометрической установке, содержащей гониометрический стол для изменения и точного измерения углов падения лазерного излучения в пределах =0-45°. Источниками излучения служили твердотельные лазеры, работающие на рубине ( =693 нм) и стекле, активированном неодимом ( =1060 нм). Для генерации излучения на длине волны =530 нм применялся удвоитель частоты излучения неодимового лазера на кристалле KDP.

Результаты экспериментальных исследований приведены на рис.3, где сплошные кривые - это зависимость D ( ) диэлектрического покрытия, значения _m которого смещены в длинноволновую область относительно длины волны лазерного излучения (см. рис.2); пунктирные кривые - характеристики покрытия, у которого _m= .

Сравнение угловых характеристик, приведенных на рис.3, убедительно показывает, что диэлектрическое покрытие противолазерного защитного светофильтра, изготовленного в соответствии с заявленным техническим решением, обладает существенным преимуществом по сравнению с диэлектрическим покрытием устройства-прототипа, у которого длина волны максимума спектрального коэффициента отражения _m совпадает с длиной волны воздействующего лазерного излучения =530 нм. В первом случае (сплошные кривые на рис.3) не наблюдается существенного и систематического уменьшения значений D при изменении углов падения от 0 до 30°. Во втором случае (пунктирные кривые) резкое и систематическое падение оптической плотности D имеет явно выраженный характер.

Таким образом, предложенное техническое решение обладает существенным преимуществом перед устройством-прототипом, так как заявляемый противолазерный защитный светофильтр, снабженный описанным отражающим диэлектрическим покрытием, позволяет надежно защитить глаза наблюдателей не только от прямого (фронтального) облучения, но и от наклонных (боковых) лучей при углах падения =±(0-30°), т.е. в пределах углового поля зрения 2 =60°.

При практической реализации заявленного устройства для изготовления его поглощающего компонента могут быть использованы следующие цветные оптические стекла отечественного производства (ГОСТ 9411-91) или их зарубежные аналоги:

- в спектральной области =380-580 нм стекла желтой или оранжевой групп марок ЖС-3, 4, 10-12, 16-18; ОС-5, 11-14, 23 и пурпурное стекло марки ПС-7;

- в спектральной области =580-640 нм стекла сине-зеленой группы марок СЗС-3, 8, 9, 20 и красные стекла марок КС-10, 11, 13;

- в спектральной области =640-1400 нм стекла сине-зеленой группы марок СЗС-3, 8, 9, 21, 22, 25, 26.

Были испытаны три опытных образца противолазерных защитных светофильтров, изготовленных в соответствии с предложенным техническим решением. Поглощающими компонентами в этих светофильтрах служили плоскопараллельные пластины-подложки из цветных стекол ОС-23 ( =530 нм), СЗС-21 ( =693 нм) и СЗС-26 ( =1060 нм). В качестве диэлектрического покрытия использовалась многослойная система (5BH)⁸5B, электровакуумная технология нанесения которой обеспечивала точное воспроизведение спектральных характеристик рис.2 по спектральной ширине полос отражения и взаимному расположению параметров и _m.

Результаты испытаний опытных образцов приведены в таблице, в которой сравниваются параметры предложенного противолазерного защитного светофильтра и светофильтра-прототипа Т37 фирмы LASERVISION.

Таким образом, результаты испытаний опытных образцов светофильтров и экспериментальные результаты исследования диэлектрического покрытия, входящего в состав светофильтров, показывают, что по отношению к объекту-прототипу заявленное техническое решение «Противолазерный защитный светофильтр» имеет существенные преимущества и новизну, состоящие в следующем.

Таблица
Результаты испытаний опытных образцов «Противолазерного защитного светофильтра».
Параметры светофильтров	Прототип-светофильтр Т37	Заявленное устройство
Номер образца
1	2	3
Рабочая длина волны, , нм	532	530	693	1060
Оптическая плотность, D , Бел	7,3	8,1	7,8	9,2
Степень защиты, L	L7	L8	L7-L8	L9
Визуальный коэффициент пропускания, v, %	14	34	41	65
Толщина поглощающего компонента, t, мм	9,0	4,9	4,9	4,3
Марка стекла поглощающего компонента	-	ОС-23	СЗС-21	СЗС-26

1. У заявленного светофильтра отсутствует резкое и систематическое уменьшение оптической плотности D при увеличении углов падения излучения в пределах =±(0-30°), т.е. предложенный светофильтр обеспечивает необходимую степень защиты в угловом поле зрения 2 =60°. Отмеченное преимущество достигается благодаря применению диэлектрического покрытия, максимум спектрального коэффициента отражения которого _m смещен в длинноволновую область относительно длины волны воздействующего излучения на величину, составляющую (0,2-0,3) от полуширины спектральной полосы отражения.

2. Заявленный светофильтр имеет существенно меньшую (почти в 2 раза) толщину, а значит и вес, по сравнению со светофильтром-прототипом Т37. Благодаря этому применение заявленного светофильтра в противолазерных очках не потребует специализированной оправы с дополнительным головным креплением.

3. Заявленный светофильтр имеет существенно больший визуальный коэффициент пропускания ( _v>30%), чем светофильтр-прототип Т37 ( _v=14%). Благодаря - этому эффективность зрительной работы наблюдателя, использующего заявленный светофильтр в сумеречное время суток, будет практически такой же, как и в дневное время [4].

В качестве материала для изготовления заявленного «Противолазерного защитного светофильтра» предложены цветные стекла, высокие параметры оптических характеристик которых гарантированы ГОСТ 9411-91. Это, а также достаточная толщина светофильтров t>4 мм, позволяет изготавливать их в соответствии с требованиями минимально допустимого искажения волнового фронта излучения, проходящего через светофильтр при работе с приборами визуального наблюдения.

ЛИТЕРАТУРА

1. М.Д.Мальцев. Расчет допусков на оптические детали. М., «Машиностроение», 1974, 68 с.

2. Т.Н.Крылова. Интерференционные покрытия. Л., «Машиностроение», 1973, 224 с.

3. Л.Б.Кацнельсон, Ш.А.Фурман. ОМП, № 12, 1973, с.19.

4. Н.П.Травникова. Эффективность визуального поиска. М., «Машиностроение», 1985, 128 с.